Через сутки после «Венеры-4» в околопланетном пространстве Венеры появился американский космический аппарат «Маринер-5», приблизившийся к планете на расстояние 4100 километров. Было осуществлено радиозондирование, построен вертикальный разрез ионосферы и нейтральной атмосферы вплоть до уровня 5 атм.

5 января 1969 г. стартовала «Венера-5», а 10 января - «Венера -6». 16 и 17 мая того же года они вошли в атмосферу Венеры и провели исследование ее глубоких слоев. Были уточнены данные о параметрах атмосферы, полученные станцией «Венера-4». В химическом составе венерианской атмосферы оказалось 97% углекислого газа. Хотя спускаемые аппараты станции «Венера-5» и «Венера-6» имели более прочную конструкцию, все же и они не выдержали огромного давления и разрушились на высоте 20 км над поверхностью.

Лишь спускаемому аппарату следующей советской космической станции «Венера-7» , имевшему усовершенствованную конструкцию, впервые в истории космонавтики удалось пересечь всю толщу венерианской атмосферы и достичь поверхности планеты. Станция была запущена 17 августа 1970 года, а 15 декабря спускаемый отсек совершил посадку. В течение всего времени спуска и 23-х минут после посадки отсек передавал информацию о параметрах атмосферы. В месте посадки температура оказалась около +500ºС, а давление порядка 100 атмосфер (как на километровой глубине земного океана).

Автоматическая станция «Венера-8» стартовала 27 марта 1972 года с промежуточной околоземной орбиты. Через 117 суток полета, 22 июля 1972 года, станция достигла окрестностей Венеры и отделила от себя спускаемый аппарат. На всех траектории спуска и на поверхности планеты были выполнены замеры скорости ветра. Была зафиксирована сложная динамика атмосферы и движения облаков. Наиболее интенсивные ветры были отмечены на высотах более 40 км (до 100 м/с). На поверхности планеты ветры очень слабые и не превышают 1-2м/с. В месте посадки СА на поверхность планеты было зафиксировано давление в 90 раз выше, чем на Земле, а температура – +470ºС.

В феврале 1974 года околопланетное пространство Венеры пересек американский космический аппарат «Маринер-10» (максимальное приближение к планете составило 5784 километра). На нем была установлена телевизионная аппаратура, позволившая получить несколько тысяч доброкачественных изображений диска с разрешением 130 километров, что вдвое превосходило возможности наземных наблюдений. Анализ этих снимков, выполненных с применением УФ-фильтров, впервые позволил получить представление о циркуляции атмосферы Венеры: выявлена глобальная симметрия структуры облачного покрова относительно экватора и подтверждено четырехсуточное вращение «УФ-деталей» в направлении, противоположном вращению планеты. Радиозатменные эксперименты на КА «Маринер-10» позволили определить электронную плотность дневной и ночной ионосферы и выявить ее структуру, а также получить новые температурные профили нижней атмосферы в интервале 50 – 100 километров. На «Маринер-10» вновь проводились измерения магнитного поля и оценки параметров гравитационного поля Венеры. Последние послужили основой для создания представлений о большой мощности венерианской литосферы.

АМС «Венера-9» и «Венера-10» были запущены соответственно 8 и 14 июня 1975 года, а 22 и 25 октября того же года их спускаемые аппараты достигли поверхности планеты, а сами станции стали первыми искусственными спутниками Венеры. Телевизионные камеры спускаемых аппаратов впервые в истории космонавтики передали на Землю панорамные телевизионные изображения поверхности другой планеты. Кроме этого при спуске измерялась плотность, давление и температура атмосферы, количество водяного пара, проведены нефелометрические измерения частиц облаков, измерения освещенности в различных участках спектра. Для измерений характеристик грунта помимо гамма-спектрометра использовался радиационный плотномер. Искусственные спутники позволили получить телевизионные изображения облачного слоя, распределение температуры по верхней границе облаков, спектры ночного свечения планеты, провести исследования водородной короны, многократное радиопросвечивание атмосферы и ионосферы, измерение магнитных полей и околопланетной плазмы. На станциях второго поколения информация со спускаемых аппаратов предавалась на орбитальный аппарат, а затем ретранслировалась на Землю. Это привело к значительному увеличению количества получаемой информации.